繼上篇文章我們對(duì)回流焊工藝的缺陷進(jìn)行了分析并大致介紹了TCB工藝。（推薦閱讀：英特爾先進(jìn)封裝之熱壓鍵合(TCB)工藝介紹）。接著我們講講TCB設(shè)備細(xì)節(jié)。
TCB設(shè)備的心臟是貼片頭(Bond Head)，由線性伺服馬達(dá)(Linear Servo Motor)驅(qū)動(dòng)空氣軸承(Air Bearing)運(yùn)動(dòng)，如圖7所示。有賴于高精度的伺服系統(tǒng)以及無摩擦的空氣軸承導(dǎo)軌，垂直方向的運(yùn)動(dòng)精度可以控制在1um以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)錫球熔化過程下的微移動(dòng)的精準(zhǔn)控制。
貼片頭配備了應(yīng)力控制單元(Force Sensor)，快速升降溫脈沖加熱器(Pulse Heater)，還配備了一套主動(dòng)傾斜控制系統(tǒng)(Active Tip Tilt，專利號(hào)US8387851B1)。
主動(dòng)傾斜控制系統(tǒng)(Active Tip Tilt)可以精確調(diào)節(jié)脈沖加熱器的共面度，使其與基板(Substrate)所在的加熱板(Hot Pedestal)的表面完美貼合，在22mm x 33mm的區(qū)域內(nèi)，可使上下兩個(gè)平面共面間距不超過3um，幾乎可以消除芯片翹起相關(guān)的失效。
壓力傳感器(Force Sensor)與壓力傳動(dòng)方向同步，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)貼片頭在垂直方向運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)力反饋，從而得知芯片在貼片過程中的受壓狀態(tài)。線性伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可提供貼片頭超過10N的貼片壓力，壓力伺服控制反饋系統(tǒng)可提供0.05N壓力控制精度。
脈沖加熱器(Pulse Heater)可提供每秒超過100度的升溫速率，以及超過50度/秒的降溫速度，這樣從約400度（貼片過程中的最高溫度）降到待機(jī)150度只需5秒左右?？焖偕郎亟禍啬芰梢员苊膺^多的熱量持續(xù)加載給基板，并且顯著縮短貼片所需時(shí)間。
加熱單元中的組件得到充分工程優(yōu)化，有良好的溫度均一性，以及100度/秒的升溫速率下，在22mm x 33mm區(qū)域內(nèi)加熱塊表面的溫度差異不超過10度。由此保證了芯片和基板的接觸面錫球可以同步熔化。
貼片頭使用的芯片吸頭(Nozzle)為片狀，尺寸與芯片尺寸匹配，材質(zhì)為單晶，有極佳的導(dǎo)熱性能，內(nèi)有真空通道，可以將芯片牢牢吸附固定，且芯片吸頭可以自動(dòng)更換，可實(shí)現(xiàn)同一個(gè)基板貼裝若干尺寸不同的芯片。
圖7 焊接裝置示意圖（顯示貼片頭到焊接平臺(tái)堆疊細(xì)節(jié)）
涂覆有液態(tài)助焊劑(Flux)的基板真空固定在加熱板(Pedestal)上，加熱板所在的平臺(tái)(Bond Stage)坐落在空氣軸承之上，在線性伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行無摩擦的水平移動(dòng)。加熱板最高可被加熱到200度，在基板的貼片過程中可以精準(zhǔn)控制基板的溫度。芯片和基板通過上下同軸的高分辨率的相機(jī)系統(tǒng)對(duì)位(Up Looking and Down Looking Optics)，該相機(jī)系統(tǒng)是熱控設(shè)計(jì)，可避免圖像因高溫畸變，如圖8所示。高精度的相機(jī)，以及無摩擦氣墊運(yùn)動(dòng)的基板平臺(tái)，保證了芯片和基板的極小的水平位置偏差，22mm x 33mm的芯片的偏移可小于2.5um且滿足Cpk 1.33。
圖8 焊接裝置示意圖（顯示平臺(tái)和設(shè)備內(nèi)腔）
貼片頭，光學(xué)相機(jī)板以及真空加熱板都位于密閉的腔體內(nèi)，如圖8所示。冷卻板(Cooling Plate)將整個(gè)腔體分為上方的大的惰性氣體腔(Macro Inter Chamber)和小的惰性氣體腔(Micro Inert Chamber)，冷卻板的正中央有一個(gè)開孔，貼片頭的芯片通過此開孔與基板結(jié)合。冷卻板可以防止下方大尺寸的加熱板的熱量傳遞到上方腔體，以避免影響貼片頭和光學(xué)相機(jī)板的功能。芯片轉(zhuǎn)移臂把芯片轉(zhuǎn)運(yùn)到冷卻板的中央開孔處，之后貼片頭向下運(yùn)動(dòng)將芯片吸起，芯片轉(zhuǎn)移臂復(fù)位后，貼片頭進(jìn)一步向下運(yùn)動(dòng)，穿過中央開孔，將芯片貼置于基板上。上方密封腔充滿了氮?dú)?N2)，將氧氣的濃度控制在100ppm以下，以防止芯片在加熱過程中的氧化。同時(shí)下方密封腔也有氮?dú)鈿饬?，氧氣的濃度同樣控制?00ppm以下，以保護(hù)基板在加熱過程中不被氧化。
基板加熱板(Pedestal)和貼片頭的加熱體(heater)的下表面之間的共面性是通過一對(duì)高精度的電容型傳感器(Capacitive Sensors)測(cè)量的，該測(cè)量系統(tǒng)申請(qǐng)了專利（專利號(hào)：US8875979B2），如圖9所示。電容傳感器內(nèi)置于光學(xué)相機(jī)板之上，可隨著相機(jī)板以在貼片頭和加熱板之間水平移動(dòng)。上下傳感器成對(duì)同步工作，分別測(cè)量上方到貼片頭的距離和下方到加熱板的距離，兩個(gè)距離之和為貼片頭和加熱板點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的距離。隨著水平方向的移動(dòng)，可測(cè)量整個(gè)共面性。實(shí)際應(yīng)用中，取芯片所在區(qū)域的4個(gè)角落(A,B,C,D)進(jìn)行測(cè)量，用4個(gè)間距的最大差值來衡量共面度。貼片頭的主動(dòng)傾斜系統(tǒng)可將貼片頭適度傾斜，使貼片頭與下方加熱板平行，滿足微米級(jí)的共面度，這樣芯片和基板之間的整體距離可以達(dá)到一致。
下一篇我們將介紹：TCB熱壓鍵合量產(chǎn)過程中如何控制貼片質(zhì)量及優(yōu)化手段，敬請(qǐng)關(guān)注公眾號(hào)。歡迎訪問艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)：www.ab-sm.com。
本文主要參考文獻(xiàn)為：Thermo-compression Bonding for Fine-pitch Copper-pillar Flip-chip Interconnect – Tool Features as Enablers of Unique Technology
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：先進(jìn)封裝之熱壓鍵合（TCB）設(shè)備細(xì)節(jié)詳述
